GSM et GPRS

1. GSM et GPRS Le GSM et son évolution vers leGPRS pour la transmission de données Rémi BLANC, Jérôme MILAN DESS Génie Informatique Université Joseph FOURIER (Grenoble I), 2002-2003

2. GSM et GPRS: Plan de la présentation • Principes généraux des réseaux cellulaires • Le GSM • La technologie GPRS • Applications et aspects commerciaux • Conclusion

3. I. Principes généraux des réseaux cellulaires • Historique de la radiotéléphonie • Le concept de réseau cellulaire • Architecture générique d’un réseau cellulaire

4. Historique de la radiotéléphonie (1/3) • Systèmes pré-cellulaires analogiques : Detroit, 1921 : services de police Saint-Louis, 1946 : réseau AT&T 1950s : réseau allemand «A-Netz» • Inconvénients : Saturation rapide des ressources radio Aucune gestion de la mobilité • Concept de partage des ressources (~1964) : Allocation dynamique des canaux radio Permet d’avoir plus d’abonnés que de ressources

5. Historique de la radiotéléphonie (2/3) • 1971 : Bell Telephone «présente» le concept cellulaire • 1978 : AMPS (Advanced Mobile Phone Service) : premier système cellulaire «moderne» : Gestion des ressources radio  Sélection de la meilleure fréquence Réalisation des transferts inter-cellulaires (handover) • 1982 : l’AMPS devient le standard unique en Amérique du Nord • Systèmes de première génération

6. Historique de la radiotéléphonie (3/3) • 1990s : passage au mode numérique : Meilleure restitution de la parole  Optimisation des ressources radio  Nouveaux services (données) Cryptage de l’information … • Systèmes de seconde génération GSM IS-95 PDC

7. Le concept de réseau cellulaire (1/2) • Concept de base: Division du territoire en cellules Partage des ressources radio entre cellules • Cellule : unité géographique du réseau Taille de la cellule variable suivant le relief, la densité d’abonnés…  Hiérarchie de cellules (macro-cellules, micro-cellules…) • Chaque cellule possède un émetteur-récepteur Groupe de fréquences radio attribué à chaque cellule  Techniques de multiplexage (Frequency Division Multiple Access, Time DMA, Code DMA)

8. Le concept de réseau cellulaire (2/2) • Déterminer un motif de réutilisation de fréquences Motif de réutilisation de fréquences à 7 cellules  Difficulté supplémentaire : itinérance de l’abonné Gestion des transferts inter-cellulaires (handover) Soft handover, hard handover…

9. Architecture générique d’un réseau cellulaire • Radio Access Network (RAN) : Point d’accès au réseau  Gestion de l’interface air • Core Network (CN) : Réseau fixe assurant l’interconnexion avec les autres réseaux Réseaux téléphoniques Commutés Réseaux cellulaires d’autres opérateurs RAN CN Réseaux de données

10. II. Le système GSM • Les origines de la norme • Architecture générale et équipements • Le GSM pour la transmission de données • Limites du GSM

11. Les origines de la norme GSM • Un standard européen sous l’égide de la CEPT • 1982 : naissance du Groupe Spécial Mobile Définir système de communication pour réseaux de mobiles dans la bande des 900 MHz • 1989 : fondation de l’ Institut Européen de Standardisation (ETSI)Le GSM devient le Global System for Mobile Communication • 1990 : spécifications GSM900 gelées • 1992 : Le GSM est utilisé dans 7 pays européens

12. Le GSM dans le monde • Plus de 747 millions d’ utilisateurs dans plus de 180 pays : Amérique du nord : Canada, États-Unis, Mexique. Amérique du sud : Argentine, Bolivie, Brésil, Chili, Paraguay, Pérou… Afrique : Afrique du Sud, Cameroun, Éthiopie, Maroc, Sénégal, Zaïre… Asie : Arabie Saoudite, Chine, Corée, Hong-Kong, Inde, Indonésie, Israël, Koweït, Malaisie, Pakistan, Russie, Thaïlande… Océanie : Australie, Nouvelle-Zélande… Source : http://www.gsmworld.com/roaming/gsminfo/index.shtml

13. Architecture générale d’un réseau GSM PLMN: Public Land Mobile Network Radio Access Network Core Network BSS: Base Station Subsystem NSS: Network SubSystem MSC: Mobile services Switched Center VLR: Visitor Location Register HLR: Home Location Register AUC: Authentification Center EIR: Equipment Identity Register BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller MS:Mobile Station OMC: Operation and maintenance Center PSTN: Public Switched Telephone Network PLMN

14. Le sous système radio BSS (Base Station Subsystem)  Gérer l’accès au réseau via l’interface air Base Station Subsystem Network SubSystem BTS: Base Transceiver Station MSC (contrôleur) MS: Mobile Station BSC: Base Station Controller

15. Le sous système radio BSS: la station de base (BTS) • BTS (Base Transceiver Station): station de base d’émission et de réception • Assure couverture radio d’une cellule (rayon de 200m à ~30 km) • 1 à 8 porteuse(s) radio, 8 canaux plein débit par porteuse • Prend en charge: modulation/démodulation, correction des erreurs, cryptage des communications, mesure qualité et puissance de réception

16. Le sous système radio BSS: le contrôleur de station de base (BSC) • BSC (Base Station Controller) pilote un ensemble de station de base (typiquement ~60) • C’est un carrefour de communication: concentrateur de BTS  aiguillage vers BTS destinataire • Gestion des ressources radio: affectation des fréquences, contrôle de puissance… • Gestion des appels: établissement, supervision, libération des communications, etc. • Gestion des transferts intercellulaires (handover) • Mission d’exploitation

17. L’interface radio • Technique de multiplexage : F-TDMA • Multiplexage fréquentiel : plages de 200 kHz 890-915 MHz : terminal  station de base 935-960 MHz : station de base  terminal  124 voies de communication duplex en parallèle • Multiplexage temporel d’ordre 8 : optimiser l’utilisation de la capacité de transmission  8*577 s = 4,615 ms  une trame GSM  1,25 kbit • Canal physique : 270 kbit/s • Canaux logiques :  13 kbit/s pour la parole  9,6 kbit/s pour la transmission de données

18. Le sous système réseau NSS (Network SubSystem) Sous système radio Sous système réseau VLR: Visitor Location Register MSC: Mobile Switching Center BSC HLR: Home Location Register BSC AUC: Authentifica- tion Center EIR: Equipment Id. Register Réseau téléphonique Commuté (RTC) MSC distant VLR

19. Le sous système réseau: le MSC • MSC (Mobile Switching Center) commutateur numérique en mode circuit Oriente les signaux vers les BSC Établi la communication en s’appuyant sur les BD • Assure l’interconnexion avec les réseaux téléphoniques fixes (RTC, RNIS), les réseaux de données ou les autres PLMN • Assure la cohésion des BD du réseau (HLR, VLR) • Participe à la gestion de la mobilité et à la fourniture des téléservices • Fournit 3 types de services: services de support (transmission données, commutation…) téléservices (téléphonie, télécopie…) compléments de services (renvoi/restriction d’appels…)

20. Le sous système réseau: le HLR • HLR (Home Location Register): base de données contenant les informations relatives aux abonnés données statiques: IMSI, no d’appel, type abonnement… données dynamiques: localisation, état du terminal… • Un HLR logique par PLMN. En pratique, plusieurs bases de données redondantes • Le HLR sert de référence pour tout le réseau • Dialogue permanent entre le HLR et les VLR

21. Le sous système réseau: le VLR • VLR (Visitor Location Register) : base de données locale En général, un VLR par commutateur MSC • Contient les informations relatives aux abonnés présents dans la Location Area (LA) associée Même info que dans HLR + identité temporaire (TMSI) + localisation • VLR mis à jour à chaque changement de cellule d’un abonné

22. Le sous système réseau: le AUC • AUC (AUthentification Center) contrôle l’identité des abonnés et assure les fonctions de cryptage • Authentification de l’abonné: Subscriber Identity Module (carte SIM) contient plusieurs clés secrètes • Cryptage des données au niveau du terminal

23. Le sous système réseau: le EIR • EIR (Equipment Identity Register) empêche l’accès au réseau aux terminaux non autorisés (terminaux volés) • A chaque terminal correspond un numéro d’identification: le IMEI (International Mobile Equipment Identity) • A chaque appel, le MSC contacte le EIR et vérifie la validité du IMEI

24. Mise en route mobile  parcours des fréquences  sélection d’une cellule MSC vérifie les droits via AUC et EIR Demande d’appel arrive au MSC MSC transmet demande et ordonne au BSC de réserver un canal Demande acheminée au GMSC (Gateway MSC) GMSC interroge le HLR VLR courant Interrogation VLR  BSC et cellule BSC fait diffuser un avis d’appel Le mobile écoute le réseau et reconnaît son numéro Établissement appel similaire La gestion des connexions Appel mobile vers fixe Appel fixe vers mobile Commutation de circuits

25. Le transfert de données en GSM • IWF (InterWorking Function) : Interface entre réseau GSM et réseau extérieur • 2 modes de fonctionnement: Mode transparent (pas de correction d’erreurs) : conditions favorables (bon SNR, mobilité restreinte) débit utilisateur théorique : 14,4 kbit/s Mode non transparent : utilisation d’un protocole de reprise sur erreur RLP (Radio Link Protocol)  débit utilisateur théorique : 9,6 kbit/s (taux d’erreur : 4/1000) BSS NSS InterWorking Function Réseau de données BTS MSC IWF

26. Le transfert de données en GSM : le HSCSD • HSCSD : High Speed Circuit Switched Data • Évolution essentiellement logicielle du GSM • Repose sur la possibilité d’allouer simultanément plusieurs canaux physiques jusqu’à 4 canaux par trame ie 57,6 kbit/s en mode transparent • Peu de succès : seulement utilisé dans ~15 pays Allemagne, Autriche, Danemark, Grande Bretagne, Hongrie, Luxembourg, Suisse

27. Les limitations du GSM pour le transfert de données • GSM, HSCSD  réseau à commutation de circuits • Piètre gestion des ressources radio : ligne monopolisée dans tout le réseau pour un trafic de données de nature très sporadique • Coût des communications : tarif fonction de la durée, pas de la quantité de données HSCSD : payer tous les canaux utilisés ?! • Infrastructure lourde, peu flexible

28. Rappel du Plan • Principes généraux des réseaux cellulaires • Le GSM • La technologie GPRS • Applications et aspects commerciaux • Conclusion

29. III. La technologie GPRS • Introduction • Avantages du GPRS • Architecture matérielle • Utilisation du multiplexage • Terminaux

30. Introduction • GPRS: General Packet Radio Service • Basé sur GSM • Données en mode non connecté, par paquets • Objectif: accès mobile aux réseaux IP

31. Avantages du GPRS • Débit théorique 160 kbit/s • En pratique plutôt 30 kbit/s • Facturation à la donnée • Connexion permanente possible

32. Architecture matérielle Source: Radcom Inc.

33. Exemple de routage Source: IEEE Communications Surveys 1999

34. Utilisation du multiplexage Source: IEEE Communications Surveys 1999

35. Modes de codage • CS-1 9.05 kbit/s forte redondance • CS-2 13.4 kbit/s • CS-3 15.6 kbit/s • CS-4 21.4 kbit/s faible redondance

36. Les terminaux • Trois classes de terminaux GPRS: • A: Voix et données • B: Voix ou données • C: Données • Le nombre de time slots utilisables est limité. 3:1 pour un mobile standard. • Débit entrant effectif: 3*13.4=40.2 kbit/s

37. IV. Applications et aspects commerciaux • Etat du marché • Manque de succès commercial • Applications

38. Etat du marché en 2002 • 3,7 millions d’abonnés GPRS en Europe (300 millions pour le GSM) • Taux de pénétration: 1,2% (GSM 60 %) • Revenu par utilisateur: 4€(Voix 33€)

39. Manque de succès commercial • Pas d’applications décisives pour le grand public • Réseaux GSM déjà saturés • Stratégie marketing souvent floue

40. Applications • Internet mobile • Messagerie • Jeux • Géolocalisation, guidage • Banque mobile • Réservation, achats…

41. UMTS • Universal Mobile Telecommunications System.Un standard universel. • UMTS devrait remplacer GPRS en Europe vers 2006. • 384 kbit/s. • Nouvelles plages de fréquences, plus de problèmes de saturation. • Utilisation prévue d’IPv6

42. Conclusion • GPRS : une bonne solution d’attente pour les opérateurs • Faible coût d’installation sur le réseau GSM • Pas de licence à payer • Bonne performances • On attend toujours l’application décisive • Pour l’instant un marché minuscule comparé à celui de la voix.